多孔石墨烯及MXene基鋰硫電池正極材料的制備及性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-06-26 08:55
鋰硫電池具有較高的理論比容量(1675 mAh g-1)和能量密度(2600 Wh kg-1),被認(rèn)為是有前途的下一代可充電電池系統(tǒng),但其正極活性材料（硫）較差的導(dǎo)電性、電極反應(yīng)中緩慢的氧化還原動(dòng)力學(xué)、電極間嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”等問題阻礙其進(jìn)一步的性能提升。合理設(shè)計(jì)及構(gòu)建的正極材料被認(rèn)為是解決鋰硫電池系統(tǒng)上述問題的關(guān)鍵。作為新型的二維材料,石墨烯和MXenes由于其可控的合成方法、優(yōu)異的電導(dǎo)率、可調(diào)控的功能化表面官能團(tuán)等特性,被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。由于二維材料中的范德華力和?-?相互作用引起不可避免的片層堆積,因此其質(zhì)量能量密度較低、倍率性能受限。鑒于此,本文通過自組裝、物理活化、化學(xué)造孔等方法構(gòu)建四種石墨烯和MXene基三維多孔材料,并研究其作為硫宿主展現(xiàn)的電化學(xué)性能。詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容、結(jié)果、討論歸納為以下幾個(gè)方面:通過一步水熱法合成高比表面積(740 m2 g-1)和孔體積(1.39 cm3 g-1)的氮摻雜石墨烯納米帶/碳納米管復(fù)合氣凝膠...
【文章來源】：燕山大學(xué)河北省
【文章頁(yè)數(shù)】：122 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
(a)鋰硫電池工作示意圖;(b)鋰硫電池在有機(jī)電解液中充放電曲線及對(duì)應(yīng)形成的化合物;(c)充電機(jī)理示意圖
?熱鏢c、Ti、Zr、V、Nb、Cr或Mo，A通常代表第三主族和第四主族化學(xué)元素，X代表C或N元素[17]。根據(jù)近年來的報(bào)道，石墨烯和MXenes材料展現(xiàn)出高比表面積、良好的電導(dǎo)率、可調(diào)控的功能化表面、豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)、較強(qiáng)的多硫化物吸附能力等特性[18]，因而被廣泛應(yīng)用在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域[19,20]。1.3.1石墨烯和MXenes衍生多孔材料的制備方法目前為止，研究人員利用機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、液相自組裝等方式制備零維、一維、二維和三維的石墨烯衍生材料[21,22]，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求（圖1-2）。氧化還原法工藝簡(jiǎn)單易行，且得到的石墨烯分散液能夠穩(wěn)定保存，因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中。MXenes材料表面有羥基或末端氧，能夠分散在溶劑中并進(jìn)行表面修飾改性，這使得一部分制備石墨烯衍生多孔材料的方法同樣適用于MXenes[23]。圖1-2石墨烯的組裝和合成示意圖Figure1-2Synthesisandassemblyofgraphene[22].為進(jìn)一步滿足新一代電化學(xué)能源體系對(duì)材料提出的要求（高能量密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性及規(guī)�；a(chǎn)），科研人員發(fā)展多種制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法：交聯(lián)法、物理活化法、化學(xué)活化法及模板誘導(dǎo)法。1.3.1.1交聯(lián)法交聯(lián)法操作簡(jiǎn)便，能源消耗小，是制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的主要方法[24]。通過石墨烯及MXenes片層之間的相互作用（疏水相互作用、氫鍵作用、離子絡(luò)合交聯(lián)作用、偶極相互作用和靜電相互作用），驅(qū)動(dòng)片層自組裝形成三維多孔結(jié)構(gòu)[2527]47。溶劑熱法是一種常見的制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法。Fang等人[28]將石墨烯氧化物納米片在水熱條件下進(jìn)行自組裝，得到石墨烯凝膠塊（圖1-3（a））。此外，圖1-3（b）中展示通過石墨烯氧化物片層之間的氫鍵和堆積
燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-6-作用為驅(qū)動(dòng)力，同樣能夠形成具有三維交聯(lián)孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料[29]。該材料具有較高的比表面積（830m2g1），展現(xiàn)良好的電化學(xué)電容性能（223Fg1，0.2Ag1）和二氧化碳吸附性能（11.3wt%，273K）。Hu課題組[30]將石墨烯氧化物和碳納米管通過水熱反應(yīng)進(jìn)行自組裝，形成具有相互連通開放孔結(jié)構(gòu)和三維導(dǎo)電框架的多孔材料。開放孔道有利于電解液的擴(kuò)散浸潤(rùn)，三維導(dǎo)電框架有利于電子在電極材料內(nèi)部快速傳輸，該材料在鋰硫電池體系中展現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。圖1-3(a)CGA的合成示意圖;(b)NGA在不同放大倍率下的SEM和TEM圖,插圖為NGA的電子圖像Figure1-3(a)Syntheticpattern(upper)andprocedures(nether)ofCGA[28];(b)SEMandTEMimagesofnitrogen-dopedgrapheneaerogelatdifferentmagnifications,Inset:adigitalphotooftheNGA[29].圖1-4MXene、rGO和MXene-rGO多孔膜的制備流程示意圖Figure1-4SchematicillustrationofthefabricationoftheMXene,rGOandMXene-rGOfilms[33].根據(jù)此前的報(bào)道，MXenes展現(xiàn)出與石墨烯類似的功能化表面（含有大量羥基親水基團(tuán)），因此研究人員參考交聯(lián)石墨烯的方法制備出一系列MXenes衍生多孔材料[31,32]67。如圖1-4所示，Liu等人[33]利用NH4HCO3水解的NH4+離子，通過靜電作用形成Ti3C2GO雜化微團(tuán)簇，最終經(jīng)過真空抽濾脫水、熱處理后得到Ti3C2rGO多
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]二維晶體MXene的制備與性能研究進(jìn)展[J]. 李正陽(yáng),周愛國(guó),王李波,孫丹丹. 硅酸鹽通報(bào). 2013(08)
[2]高比能鋰硫電池關(guān)鍵材料的研究[J]. 王維坤,余仲寶,苑克國(guó),王安邦,楊裕生. 化學(xué)進(jìn)展. 2011(Z1)
[3]石墨烯的功能化及其相關(guān)應(yīng)用[J]. 黃毅,陳永勝. 中國(guó)科學(xué)（B輯:化學(xué)）. 2009(09)
[4]氧化石墨烯及其與聚合物的復(fù)合[J]. 楊永崗,陳成猛,溫月芳,楊全紅,王茂章. 新型炭材料. 2008(03)
本文編號(hào)：3251039
【文章來源】：燕山大學(xué)河北省
【文章頁(yè)數(shù)】：122 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【部分圖文】：
(a)鋰硫電池工作示意圖;(b)鋰硫電池在有機(jī)電解液中充放電曲線及對(duì)應(yīng)形成的化合物;(c)充電機(jī)理示意圖
?熱鏢c、Ti、Zr、V、Nb、Cr或Mo，A通常代表第三主族和第四主族化學(xué)元素，X代表C或N元素[17]。根據(jù)近年來的報(bào)道，石墨烯和MXenes材料展現(xiàn)出高比表面積、良好的電導(dǎo)率、可調(diào)控的功能化表面、豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)、較強(qiáng)的多硫化物吸附能力等特性[18]，因而被廣泛應(yīng)用在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域[19,20]。1.3.1石墨烯和MXenes衍生多孔材料的制備方法目前為止，研究人員利用機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、液相自組裝等方式制備零維、一維、二維和三維的石墨烯衍生材料[21,22]，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求（圖1-2）。氧化還原法工藝簡(jiǎn)單易行，且得到的石墨烯分散液能夠穩(wěn)定保存，因而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中。MXenes材料表面有羥基或末端氧，能夠分散在溶劑中并進(jìn)行表面修飾改性，這使得一部分制備石墨烯衍生多孔材料的方法同樣適用于MXenes[23]。圖1-2石墨烯的組裝和合成示意圖Figure1-2Synthesisandassemblyofgraphene[22].為進(jìn)一步滿足新一代電化學(xué)能源體系對(duì)材料提出的要求（高能量密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性及規(guī)�；a(chǎn)），科研人員發(fā)展多種制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法：交聯(lián)法、物理活化法、化學(xué)活化法及模板誘導(dǎo)法。1.3.1.1交聯(lián)法交聯(lián)法操作簡(jiǎn)便，能源消耗小，是制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的主要方法[24]。通過石墨烯及MXenes片層之間的相互作用（疏水相互作用、氫鍵作用、離子絡(luò)合交聯(lián)作用、偶極相互作用和靜電相互作用），驅(qū)動(dòng)片層自組裝形成三維多孔結(jié)構(gòu)[2527]47。溶劑熱法是一種常見的制備石墨烯和MXenes衍生多孔材料的方法。Fang等人[28]將石墨烯氧化物納米片在水熱條件下進(jìn)行自組裝，得到石墨烯凝膠塊（圖1-3（a））。此外，圖1-3（b）中展示通過石墨烯氧化物片層之間的氫鍵和堆積
燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-6-作用為驅(qū)動(dòng)力，同樣能夠形成具有三維交聯(lián)孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料[29]。該材料具有較高的比表面積（830m2g1），展現(xiàn)良好的電化學(xué)電容性能（223Fg1，0.2Ag1）和二氧化碳吸附性能（11.3wt%，273K）。Hu課題組[30]將石墨烯氧化物和碳納米管通過水熱反應(yīng)進(jìn)行自組裝，形成具有相互連通開放孔結(jié)構(gòu)和三維導(dǎo)電框架的多孔材料。開放孔道有利于電解液的擴(kuò)散浸潤(rùn)，三維導(dǎo)電框架有利于電子在電極材料內(nèi)部快速傳輸，該材料在鋰硫電池體系中展現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。圖1-3(a)CGA的合成示意圖;(b)NGA在不同放大倍率下的SEM和TEM圖,插圖為NGA的電子圖像Figure1-3(a)Syntheticpattern(upper)andprocedures(nether)ofCGA[28];(b)SEMandTEMimagesofnitrogen-dopedgrapheneaerogelatdifferentmagnifications,Inset:adigitalphotooftheNGA[29].圖1-4MXene、rGO和MXene-rGO多孔膜的制備流程示意圖Figure1-4SchematicillustrationofthefabricationoftheMXene,rGOandMXene-rGOfilms[33].根據(jù)此前的報(bào)道，MXenes展現(xiàn)出與石墨烯類似的功能化表面（含有大量羥基親水基團(tuán)），因此研究人員參考交聯(lián)石墨烯的方法制備出一系列MXenes衍生多孔材料[31,32]67。如圖1-4所示，Liu等人[33]利用NH4HCO3水解的NH4+離子，通過靜電作用形成Ti3C2GO雜化微團(tuán)簇，最終經(jīng)過真空抽濾脫水、熱處理后得到Ti3C2rGO多
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]二維晶體MXene的制備與性能研究進(jìn)展[J]. 李正陽(yáng),周愛國(guó),王李波,孫丹丹. 硅酸鹽通報(bào). 2013(08)
[2]高比能鋰硫電池關(guān)鍵材料的研究[J]. 王維坤,余仲寶,苑克國(guó),王安邦,楊裕生. 化學(xué)進(jìn)展. 2011(Z1)
[3]石墨烯的功能化及其相關(guān)應(yīng)用[J]. 黃毅,陳永勝. 中國(guó)科學(xué)（B輯:化學(xué)）. 2009(09)
[4]氧化石墨烯及其與聚合物的復(fù)合[J]. 楊永崗,陳成猛,溫月芳,楊全紅,王茂章. 新型炭材料. 2008(03)
本文編號(hào)：3251039
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